鐵道科學(xué)研究院　　史永吉  張玉玲

　　摘要：橋梁經(jīng)過年劣化將逐步降低其技能，影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。我國鐵路鋼橋歷史悠久，建造年代各不相同，目前鐵路上還有許多鋼橋是在20世紀(jì)初期建造的。本文主要描述鐵路鋼橋常見病害，以及一些維修加固對策。

　　關(guān)鍵詞：鋼橋，病害，維修加固

　　一、鋼橋的現(xiàn)狀

　　鋼橋具有悠久的歷史，我國鐵路線上仍有許多20世紀(jì)初期建造的鋼橋仍在服役，歐美地區(qū)還有19世紀(jì)末建造的鋼橋在服役中。

　　鋼橋采用的鋼材經(jīng)歷了從鑄鐵鑄鋼、精煉鋼、沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、直到近代的低合金高強(qiáng)度鋼、TMCP高強(qiáng)度性能鋼。鋼橋的連接經(jīng)歷了銷釘連接、鉚接、直到近代的栓焊連接或焊接。鋼橋的設(shè)計(jì)經(jīng)歷了經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法、直到近代的容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法或極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。

　　基于以上特點(diǎn)，現(xiàn)有鋼橋多為不同年代設(shè)計(jì)采用不同鋼材和不同連接方法建造的橋梁，給鋼橋的維修管理帶來了一定的難度，甚至有些鋼梁已失去當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)、施工的原始資料。另一方面，由于鋼材的高強(qiáng)度、高延性、易于通過加固恢復(fù)或提高其承載力，鋼橋往往不被輕易報(bào)廢。所以，歸納總結(jié)鋼橋常見病害，研究其加固措施，對延長既有鋼橋壽命、提高今后橋梁的維修養(yǎng)護(hù)質(zhì)量具有重要的意義。

　　二、鋼橋的主要病害及分析

　�。ㄒ唬┲饕�病害

　　鐵路鋼橋的病害類別，除了承載能力不足（指鋼梁檢定承載系數(shù) ）外，主要是桿件裂損及開焊，其中多數(shù)為疲勞裂紋和腐蝕。1982年由鐵道部科學(xué)研究院、專業(yè)設(shè)計(jì)院、大橋工程局、山海關(guān)及寶雞橋梁廠組成“焊接鋼梁裂紋調(diào)查研究小組”,曾對八條運(yùn)量繁忙的主要干線進(jìn)行調(diào)查研究，針對所發(fā)現(xiàn)的不良焊接構(gòu)造細(xì)節(jié)（疲勞裂紋易發(fā)生的細(xì)節(jié)）找出對策，進(jìn)行了全面修復(fù)，并研究制定了新的鋼橋制造工藝，主要措施是減少或避免焊縫交叉，改善焊接幾何條件等。這些措施大大改善了鋼橋的疲勞受力狀態(tài)，裂紋發(fā)生率迅速降低。這里列舉的是此次修復(fù)之后發(fā)生的鋼梁主要桿件裂損及開焊（指主要桿件及節(jié)點(diǎn)鋼料裂紋及彎曲損傷超過允許限度，因受力而有發(fā)展的未處理或加固的開焊）部位（最低出現(xiàn)次數(shù)為一次）。

　　1、上承鋼板梁上翼緣角鋼裂紋；

　　2、上承鋼板梁支座上方下翼緣鋼板斷裂；

　　3、上承鋼板梁下翼緣沿支座附近的裂紋；

　　4、上承鋼板梁上蓋板（中心）開裂；

　　5、上承鋼板梁上蓋板銹穿；

　　6、上承鋼板梁下翼緣角鋼裂紋；

　　7、上承鋼板梁加勁角鋼處下翼緣兩側(cè)對稱裂紋；

　　8、上承鋼板梁上水平斜拉桿斷裂；

　　9、上承鋼板梁下翼緣聯(lián)結(jié)板裂紋；

　　10、上承鋼板梁端頭上蓋板外側(cè)掉塊；

　　11、上承鋼板梁上翼緣裂紋；

　　12、上承鋼桁梁支座與下翼緣連接鉚釘孔周邊裂紋；

　　13、下承鋼板梁支座上縱梁頂彎；

　　14、下承鋼板梁節(jié)點(diǎn)兩側(cè)裂紋；

　　15、下承鋼板梁加勁角鋼上部裂紋；

　　16、下承鋼板梁聯(lián)結(jié)桿與縱梁聯(lián)結(jié)板裂紋；

　　17、下承鋼板梁下翼緣水平裂紋；

　　18、下承鋼板梁支座連接板處裂紋；

　　19、下承鋼桁梁支座上方橫梁下部裂紋；

　　20、鉚焊下承鋼板梁上下水平聯(lián)結(jié)角鋼處裂紋；

　　21、半穿式桁梁橫梁底彎曲；

　　22、槽形板梁上蓋板油漆失效；

　　分析上述出現(xiàn)裂紋部位，主要原因是疲勞損傷。這里做一重點(diǎn)概要分析。

　�。ǘ�）分析

　　1、疲勞損傷基本概念

　　鋼材屬于高疲勞程度周次疲勞問題，疲勞曲線方程為

　　　　　　　　　　　（1）

　　或       　　　　　（2）

　　其主要特征是：

　�。�1）產(chǎn)生疲勞的主要因素：拉應(yīng)力、拉應(yīng)力循環(huán)、晶格間產(chǎn)生微錯位；

　�。�2）疲勞裂紋擴(kuò)展方向垂直于主力方向；

　　（3）疲勞裂紋發(fā)展三階段：萌生、穩(wěn)定擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展。

　　前兩個(gè)階段很難通過觀測結(jié)構(gòu)的變形而被發(fā)現(xiàn)，第三階段是脆性破壞，所以疲勞是危險(xiǎn)很大的一種破壞。

　　影響焊接鋼橋疲勞性能的主要因素是：循環(huán)應(yīng)力幅度 ,應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n,結(jié)構(gòu)和連接的形狀、焊接缺陷、殘余應(yīng)力等。疲勞檢算是根據(jù)疲勞曲線，針對被檢查的接頭，使所發(fā)生的應(yīng)力及設(shè)計(jì)中預(yù)定的循環(huán)次數(shù)應(yīng)低于疲勞曲線。見圖1.

　�。�3）

　　2、疲勞裂紋的分類

　　從受力分析狀態(tài)疲勞裂紋可分為因主應(yīng)力引起的疲勞和因次應(yīng)力引起的疲勞，以及腐蝕疲勞。經(jīng)過幾十年的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)的積累，鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)定采用的疲勞驗(yàn)算方法，已經(jīng)可以避免因主應(yīng)力使疲勞裂紋發(fā)生的情況。需要關(guān)注的是次應(yīng)力問題和腐蝕疲勞。本文描述的鋼梁常見病害，多起源于次應(yīng)力，也有腐蝕問題。

　　（1）次應(yīng)力

　　產(chǎn)生次應(yīng)力的條件有：

　�、俑拱迕嫱庾冃危�在某小間隙處受到約束引起次應(yīng)力；

　　②二相鄰構(gòu)件變形的差引起次應(yīng)力，如上承式桁梁、縱梁與橫梁連接處；

　　③局部振動在構(gòu)件連接處引起較大的次應(yīng)力，如桁架橋中的豎桿及平聯(lián)、板梁中的桁式平聯(lián)和橫聯(lián)。特別在高速行車時(shí)更易引起較大振幅；

　�、苤ё�豎向轉(zhuǎn)動或活動支座縱向唯一失靈引起次彎曲；

　�、菰缙阢T接鋼橋的縱梁上翼緣常常采用雙角鋼，因枕木彎曲變形及鉤螺栓的強(qiáng)約束引起角鋼水平肢的面外變形；

　　⑥其他不適當(dāng)?shù)臉?gòu)造設(shè)計(jì)和施工。

　　次應(yīng)力引起疲勞裂紋的特點(diǎn)是：

　　①設(shè)計(jì)中很難計(jì)算次應(yīng)力，所以基本未做疲勞檢驗(yàn)；

　�、谠谶\(yùn)營早期就會產(chǎn)生裂紋，最早在1~3個(gè)月即會出現(xiàn)；

　�、壑噩F(xiàn)率高，同樣部位出現(xiàn)數(shù)量多；

　　④初期某些裂紋尚未擴(kuò)展至主構(gòu)件（削弱主構(gòu)件斷面），暫不對主結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成威脅。

　�。�2）腐蝕

　　在鋼橋中高強(qiáng)度螺栓的延遲斷裂也不少見。所謂延遲斷裂，是指在靜荷載下（承受較高應(yīng)力的狀態(tài)），經(jīng)過一定的時(shí)間，由缺口、疲勞裂紋、腐蝕坑等應(yīng)力集中處產(chǎn)生裂紋，在不發(fā)生塑性變形情況下發(fā)生的突然脆斷破壞現(xiàn)象。又稱為靜疲勞破壞，或氫脆疲勞。其原因是由于鋼材中含氫，或環(huán)境含氫，或腐蝕反應(yīng)產(chǎn)生的氫侵入鋼材而造成的氫脆。外部原因是有應(yīng)力集中，構(gòu)件處于較高的應(yīng)力水平。高強(qiáng)度螺栓延遲斷裂中， 級的螺栓發(fā)生較多。

　　三、維護(hù)對策

　　建立橋梁檢測→診斷→修補(bǔ)加固的維護(hù)系統(tǒng)，是鋼橋維修管理的重要環(huán)節(jié)。

　�。ㄒ唬╀摌虻臋z查

　　分日常檢查、定期檢查（詳細(xì)檢查）、特殊檢查和檢定試驗(yàn)四種。日常檢查主要通過日常巡視，采用目視法，對橋梁主體結(jié)構(gòu)和墩臺進(jìn)行檢查。定期檢查一般周期為4~5年，采用目視和簡單儀器對基礎(chǔ)、支座、易發(fā)生劣化和損傷的部位進(jìn)行檢查。當(dāng)發(fā)生車輛船舶撞擊、臺風(fēng)、地震、火災(zāi)等意外情況是，進(jìn)行特殊檢查。當(dāng)上述三項(xiàng)檢查結(jié)論認(rèn)為必要時(shí)，進(jìn)行靜力和動力檢定試驗(yàn)，全面測試結(jié)構(gòu)機(jī)能（應(yīng)力和變形）和動力性能。

　　1、檢查項(xiàng)點(diǎn)

　�、偻磕ち踊�及腐蝕狀態(tài)；

　　②建筑界限。指下承式橋梁建筑限界有無富裕量，特別是大型貨物通過時(shí)；

　�、哿熊囃ㄟ^時(shí)梁的振動狀態(tài)。在橋上感覺是否有異常振動和聲音；

　�、苤ё�的異常及破損；

　�、葶T釘和螺栓的變化（松動、斷裂和脫落）；

　　⑥焊縫和母材的變化（裂紋等）；

　　⑦排水設(shè)備的狀態(tài)；

　�、嗖叫械兰皹蛏细綄僭O(shè)施的變化；

　　⑨修補(bǔ)和加固處的再變化；

　　⑩火災(zāi)、撞擊和地震等引起的損傷。

　　2、鋼橋性能的測試及評定

　　進(jìn)行檢定試驗(yàn)時(shí)，需要測定的主要內(nèi)容：

　　（1）列車荷載測定

　�、倌康模和扑隳途眯栽u定的荷載，推算換算撓度計(jì)算的軸重，計(jì)算現(xiàn)有承載力時(shí)的實(shí)測荷載；

　�、跍y定內(nèi)容：在鋼軌（枕木之間）軌腰上布置應(yīng)變計(jì)測軸重，在一定測定距離內(nèi)（貨車大于40m,客車大于60m）測試列車速度；

　　③根據(jù)實(shí)測的列車活載（軸重和軸距），計(jì)算最大應(yīng)力（用實(shí)測斷面計(jì)算），進(jìn)而用下式評定現(xiàn)有的應(yīng)力比：

　�。�2）主梁的承載力和耐久性

　　①目的：評定構(gòu)件的承載力，評定危險(xiǎn)構(gòu)件細(xì)節(jié)的疲勞累積損傷度和剩余壽命；

　�、跍y定內(nèi)容：主梁（或主桁架）、橫梁和縱梁的最大應(yīng)力和撓度，被評定細(xì)節(jié)的應(yīng)力譜；

　�、塾矛F(xiàn)有應(yīng)力比評定承載力：

　　④采用專用程序統(tǒng)計(jì)被評定細(xì)節(jié)的應(yīng)力譜并計(jì)算疲勞累積損傷度，進(jìn)行耐久性評定：

　　（3）主梁撓度

　�、倌康模涸u定列車走行安全性和乘員的舒適性，求算主梁健全性的剛度指標(biāo)；

　�、跍y定內(nèi)容：主梁跨中最大撓度，縱橫交點(diǎn)處最大撓度，斜梁的主梁端部左右鋼軌位置的撓度差；

　�、鄹鶕�(jù)表1~表3進(jìn)行列車走行性評定。

　　主梁撓度臨界值                          表1

縱橫梁交點(diǎn)處撓度臨界值 表2

斜梁中主梁端部左右鋼軌位置撓度差限值 表3

　�。�4）主梁橫向變位及振動

　　①目的：評定列車走行安全性和乘員的舒適性；

　　②測定內(nèi)容：在主梁或縱梁跨中下翼緣，垂直于橋軸的水平方向設(shè)置加速度儀，測定列車通過時(shí)的加速度，由加速度波形計(jì)算橫向振動頻率及振幅；

　�、鄹鶕�(jù)式（10）對橫向振幅臨界值進(jìn)行評定。

　�。�5）支座與梁、支座與墩臺之間的錯位變位

　�、倌康模嚎疾鞓蛄焊鳂�(gòu)件是否正常移動；

　�、跍y定內(nèi)容：列車通過時(shí)，測試支座與主梁之間的縱向滑動變位，支座與墩臺之間的縱向錯位和橫向錯位；

　�、墼u定支座位置錯動，即支座與梁之間的位移實(shí)測值應(yīng)小于（11）式的計(jì)算值：

　�。�11）

　　式中： -跨長（m）。

　�、茉u定支座的活動機(jī)能，通過支座與墩臺之間的錯位、支座前后與墩臺之間的垂直變位（傾斜）的實(shí)測值評定。

　�。�6）測定主梁恒載狀態(tài)

　　①目的：測定梁在恒載時(shí)的固有頻率，可推算恒載的大小和恒載撓度，維修時(shí)千斤頂?shù)捻斄�、梁的拱度等�?/p>

　　②測定內(nèi)容：用加速度儀于跨中測得梁的固有振動頻率，計(jì)算得到恒載的大小和恒載撓度。梁非加載時(shí)的固有振動頻率由列車通過后殘留的自由振動波形通過頻譜分析求得；

　　③由（12）式進(jìn)行恒載大小的估算：

　　四、修補(bǔ)和加固

　　（一）補(bǔ)修設(shè)計(jì)的基本注意事項(xiàng)

　　橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)病害并導(dǎo)致承載能力的降低，必須恢復(fù)其承載能力，要明確劃分修補(bǔ)和加固之間的界限是很難的。補(bǔ)修設(shè)計(jì)必須考慮結(jié)構(gòu)對象損傷的種類、損傷原因、損傷程度、施工方法和補(bǔ)修后的效果，難以用同意的模式規(guī)定補(bǔ)修合計(jì)是否恰當(dāng)，但基本注意事項(xiàng)如下：

　　①注意強(qiáng)度是否滿足要求。由于局部補(bǔ)強(qiáng)，使原結(jié)構(gòu)體系、應(yīng)力分布和應(yīng)力傳遞途徑發(fā)生變化，在計(jì)算上往往要從不同角度進(jìn)行分析；

　�、谧⒁馐欠駧�來其它新的問題。如更換局部構(gòu)件，應(yīng)考慮影響范圍。局部加固將使重量增加，注意對下部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和對其它構(gòu)件的影響，以及是否造成應(yīng)力集中等；

　　③設(shè)計(jì)必須考慮施工方法。不中斷交通進(jìn)行補(bǔ)修作業(yè)時(shí)，需要在交通荷載作用下和振動狀態(tài)下施工，設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行充分的研究，如鋼材現(xiàn)場焊接、構(gòu)件切割等施工質(zhì)量問題。此外，由于作業(yè)空間和作業(yè)時(shí)間制約，作業(yè)方式、加固構(gòu)件大小等問題均需研究；

　　④注意是否經(jīng)濟(jì)；

　　⑤注意補(bǔ)修后的美觀。

　�。ǘ�）鋼橋的修補(bǔ)及加固

　　1、涂裝維修

　　涂裝維修在鋼橋維修中占有重要地位，這一方面是由于涂裝費(fèi)用在鋼橋維修管理費(fèi)中占很大比例，更因?yàn)殇摬母�蝕將直接削弱構(gòu)件斷面，導(dǎo)致承載力降低，涂裝還是鋼橋影響外觀的著裝。

　　更換涂裝的壽命周期和涂裝設(shè)計(jì)根據(jù)環(huán)境、橋梁結(jié)構(gòu)及構(gòu)件、涂料及其配套體系、涂裝工藝和涂料價(jià)格確定。鐵路鋼橋涂膜最易劣化部位是橋面系機(jī)車通過的上方構(gòu)件（尤其是縱梁上翼緣）、節(jié)點(diǎn)和支座處、板件棱角和螺栓處，這些部位的涂裝應(yīng)予特別關(guān)注，如縱梁上翼緣，因積水、受磨、及化學(xué)腐蝕，應(yīng)采用超厚膜涂裝體系：熱噴鋅+玻璃鱗片漆。

　　2、補(bǔ)強(qiáng)及加固

　　通常有鋼材腐蝕補(bǔ)強(qiáng)、疲勞裂紋補(bǔ)強(qiáng)和提高承載力的加固。根據(jù)不同病害部位設(shè)計(jì)相應(yīng)補(bǔ)強(qiáng)方案。宜用高強(qiáng)度螺栓拼接加固，慎用現(xiàn)場焊接拼接、補(bǔ)焊加固。

　　3、鉚釘和高強(qiáng)度螺栓脫落

　　在用高強(qiáng)度螺栓更換鉚釘時(shí)，宜整節(jié)點(diǎn)全部更換，不宜部分更換。

　　五、結(jié)語

　　橋梁作為交通工程的重要組成部分，數(shù)量大，結(jié)構(gòu)規(guī)模大，改造周期長，需要長期保持其機(jī)能。因此必須建立健全橋梁維修管理系統(tǒng)，對病害做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)、跟蹤、整治。隨著橋梁建設(shè)技術(shù)的進(jìn)步，常見病害也會不斷“更新”,這將是一門不斷發(fā)展的學(xué)科，隨著經(jīng)驗(yàn)的積累和加固技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展著。